秦岭终南山公路隧道通风竖井的施工技术与数值模拟_ 重要

河北宣东二号井竖井
824.0
6.0
141.0
100.35
1998
河北宣东二号井副井
854.0
6.5
141.0
104.48
1998
筒的不同深度处，使掘、砌两大作业能充分的平行完成，砌壁作业不再单独占用凿井工 时，从而可有效的加快井筒的成井速度。但是因为在采用掘、砌平行作业时，提升碴石 的吊桶在通过稳绳盘和砌壁吊盘时必须减速，这样会造成延长吊桶一次提升运行的时 间，加上受井筒断面的限制，很难在井底配置大容积吊桶和大斗容抓岩机，从而很大程 度上降低排碴能力和限制立井掘进速度的增加，因此这种作业方式在 70 年后期发展停 滞。
第二章 竖井的施工方法
在长大公路隧道通风竖井，尤其是大断面竖井建设中，由于缺乏相应的施工经验， 如何在保证质量的前提下快速、安全的施工，成为现实中研究的主要问题。
为此，本章结合秦岭终南山公路隧道通风竖井的工程特点，介绍其施工方法，研究 施工技术措施、施工组织方案，结合该项目竖井的施工经验，提出超大、深竖井的施工 技术措施。
2.2.2 反井法
传统的反井法是指先由下向上开凿反井，然后再由上向下扩挖成井的方法。使用反 井法基本的前提条件是有事先做好的水平巷道。导洞的施工主要有以下四种方法。
一是沿竖井轴线用钻爆法自上而下开挖直径较小的导洞，此种方法出碴效率高，占 用井上绿地较少。使用的前提条件就是底部平洞的开挖已经完成，有出碴的便利通道。 具体的方法是先开挖用于溜碴用的导井，然后再用钻爆法扩挖到设计尺寸。导井多采用 钻爆法施工，即先沿竖井的设计轴线用钻爆法自上而下开挖直径较小的导井，然后再爆 破扩挖到设计轮廓线。在导井开挖的过程中，采用吊桶出碴，而扩挖时利用导井溜碴， 并从竖井底部的平洞用汽车出碴，提高出碴效率[2]。
掘砌混合作业方式是一种简单而又经济的井筒施工作业方式。这是根据我国煤矿立 井开凿逐渐加深、井筒直径加大的特点，我国凿井施工装备越来越向重型机械化和简化 工艺的方向发展而发展起来的施工作业方式。这种作业方式的特点就是需要采用较高的 整体活动模板（＞3m），这样才能在模板浇筑到一定高度（约 1m）后与掘进装岩实施 平行作业。在井筒工作面装备重型伞钻、大斗容抓岩机和大容积吊桶的同时，配置大段 高金属模板，使掘进与砌壁两大作业有可能同时在井筒工作面上实施。当井筒开凿一个 段高后，可尽快的在井筒工作面碎碴上立模并浇筑混凝土。当混凝土浇筑到 1m 左右后， 即可实现这种施工方式。它的优点是由于使用高模板、近作业面的掘砌工艺，可取消掘 进作业中的临时支护工作，减少砌壁作业所占的成井工时，即可省略一系列辅助工序和 工时，还可简化施工组织，提高施工速度。煤炭部门采用这种施工作业方式，取得了较 快的施工速度。这种混合作业方式在前苏联获得了广泛的应用，约占施工井筒总数的 95%～98%，取得了较高的稳定的凿井速度（100～110m/月），最高凿井速度达到了 200～ 220m/月。我国混合作业方式近年来连续创造了最大的凿井深度。实践证明，它可适用 于各种井深、各种井径和各种围岩条件的井筒施工，凿井速度相对稳定。下表 2.1 为煤 炭部门近年来采用混合作业方式部分井筒施工速度情况统计。
钻爆法
按施工机械分类 掘进机法
天井钻机法
全断面法
竖井施工方法 按开挖方法分类 导坑开挖法
中心扩孔法
正井法
按出碴方式分类
反井法
在竖井施工的方案选择上，笼统的讲，一般有正井法和反井法两种。
2.2.1 正井法
正井法就是从井口开始全断面开挖，采用机械化配套作业，自上而下施工。先掘进 竖井井颈与表土段后，砌锁口圈，下掘 30~40m 后，再安设多层吊盘，进行提升、悬吊 等辅助设施的安装，然后转入井筒掘进施工。多层吊盘的使用，使多道工序能平行进行，
2.1 依托工程概况
秦岭终南山公路隧道是国家在建的包茂高速公路跨越秦岭的控制性工程，主隧道全 长 18.02km，为两座平行的双车道特长公路隧道。隧道穿越的路段必须克服的天然屏障 秦岭主脊海拔较高，南北两侧地形险峻，河谷纵横，地形十分复杂，地质复杂多变（见 地貌）。隧道最大埋深达 1600m，隧道的地应力大，隧道、竖井施工均有岩爆。为了提 高运营环境条件及安全，采用了 3 座竖井的纵向式通风方案(图 2.1、图 2.2)，两线共用 竖井，竖井采用隔板将送、排风道分隔，竖井底部排风处设不同高度的导风隔板，以利 于风流的汇合。3 个竖井分别将东线、西线隧道分成 4 个通风段，最长段为 4.9km，最 短段为 3.9km（以送排风道口中心里程分段）。其中 1 号竖井内径=10.8m，最大开挖外 径=12.92m，井深 h=l90m：2 号竖井内径=11.2m，最大开挖外径=13.32m，井深 h=661m： 3 号竖井内径=11.5m，最大开挖外径=13.62m，井深 h=393m。竖井内控制风速均按隧道 满足通行能力交通量时 v=18m/s 设计。进风口、出风口的设计结合检修设施的设置，在 平面上拉开了距离[33]。
21
减轻井架荷载，简化天轮平台上天轮、天轮梁以及地面的凿井绞车的布置，有利于永久 井架的利用，还可节省大量施工器材，减轻凿井的辅助准备工作量和缩短凿井的准备工 期。
但是这种作业方式具有工序种类繁多、同期完成的作业量大、施工设备多、施工组 织复杂等特点，因此，必须有充分的准备和严格的安全技术措施，才能顺利的使用这种 作业方式。并且它也有自己适用的范围，因为这种作业方式施工时占用的井段高度较大， 因而适宜于围岩比较稳定、涌水量较少且井筒深度大、断面大和井内为刚性永久装备的 条件下采用。在井筒工作面不断的向下推进的同时，在相邻井段内先由下而上砌筑永久 井壁，而后在该段内自上而下完成井筒的永久安装。
掘、砌、安一次成井作业方式是把掘、砌两大基本作业安排在相邻两个井段内上、 下平行施工，同时也安排罐梁、罐道等永久装备的安装工作。这种作业方式能全面地组 织三种作业同时施工，已达到充分利用井筒空间，在整体上最有效的缩短立井的施工工 期、提高劳动工效和降低施工成本的目的。
这种作业方式最主要的特点就是在与利用井内的永久罐梁来固定各种施工管道（如 通风、压气、供水、输料和排水管等），既可以省略凿井悬挂设施，减省井内悬挂缆绳，
21长段掘砌平行作业的特点就是充分利用井筒的纵深在井筒相邻的两个井段井表表21煤炭部门近年来采用混合作业方式部分井筒施工速度情况统计凿井速度m月井筒名称井筒深度m井筒净径m最高平均施工时间年月七台河新兴立风井48206511309681987铁法三台子一井竖井53705511605351987鸡西二道河子南风井579550163190519905鸡西滴道东风井683580201019925摩洛哥杰拉达号立井78506810768131990河北宣东二号井竖井8240601410100351998河北宣东二号井副井8540651410104481998筒的不同深度处使掘砌两大作业能充分的平行完成砌壁作业不再单独占用凿井工时从而可有效的加快井筒的成井速度
掘砌单行作业方式曾经为我国煤炭部门开凿立井最常用的一种施工方式。这种作业 方式工序单一，管理方便，主要的特点就是掘、砌两大作业在同一井段在时间上顺序进 行。先自上而下掘凿井筒，达到施工组织设计规定的高度之后，便自下而上完成永久井 壁的砌筑。该段井壁筑成后，在转向下一井段施工，先掘井后砌壁。如此反复，逐段进 行，直至掘砌完整个井筒。它的主要特点在于井筒内凿井设施简单，井内只需配置一个 双层工作吊盘，便可兼顾掘、砌两大作业。掘进时，吊盘可用于固定稳绳、悬吊抓岩机； 砌壁时，稍微改装一下，便可成为移动式砌壁作业平台。它可分为两种作业方式：长段 单行作业方式和短段单行作业方式。
22
砌作业始终在永久支护保护之下，安全性好，不需要临时支护，节约材料，并且可节省 长段单行作业中掘、砌交替间的无效时耗。
（2）短掘、短喷单行作业 短段砌筑永久井壁时，上、下接茬频繁，不利于井筒封水。喷射混凝土技术在立井 开凿中的应用，较妥的解决了井壁接茬这个技术难题。它的特点就是不受井筒深度的限 制。在地质条件多变的岩层中，具有较高的灵活性，可根据围岩条件的变化，及时调整 锚喷支护结构。短掘、短喷工艺无需临时支护，不但可以节省器材，还可以免除架设和 拆卸临时支护等辅助程序，节省大量的非生产工时，有利于快速施工，最重要的是可以 把围岩暴露的时间控制到最低限度，能够得到及时支护，有利于维护井筒围岩的稳定， 改善井内安全状况。此外短掘、短喷单行作业不仅可以减少材料、设备的提、放量，保 证提升系统能够充分有效的投入井底进行排碴作业，提高装岩效率和缩短排碴工时，使 掘、砌作业循环的时间减少，而且还可以取消砌壁模板和悬设模板的凿井绞车，减少凿 井设备，简化井内和地面的设备布置，保证井筒工作面抓岩与钻眼作业有足够的操作空 间。但是这种作业方式因我国开凿立井的施工工艺的提高和施工机械不断的改进，在深 立井施工中现在很少采用[14]。
图 2.1 隧道总体布置图
18
2.2 施工方法与比选
图 2.2 隧道纵断面布置图
竖井施工的特点就是施工设备多，并且都是竖向布置，断面空间小，井深大，属于 高危工程，安全和技术要求高，施工难度大，要有专门的设备和专业性强的施工队伍。 总结以往煤炭、水电等行业有关竖井施工的经验，竖井的基本施工方法有以下几种：
短段掘、砌平行作业基本上克服了上述作业方式的缺点，这种施工方式可使掘进和 砌壁吊盘合一，排碴吊桶无需二次减速运行，克服了掘、砌平行作业对掘进提升能力的 限制。尤其是当今锚喷临时支护工艺在凿井中的成功应用，可以代替传统的井圈背板临 时支护，既能消除掘进中的不安全因素，又能减轻悬吊系统的重量，扩大了平行作业方 式的使用范围。这种施工方式的不足之处在于，必须设置一个结构坚固的重型吊盘 ， 以满足中型抓岩机的挂设和高空浇筑永久井壁的需要。
平行作业方式可分为两种，一种是长段掘、砌平行作业，另外一种是短段掘、砌平 行作业。
20
长段掘、砌平行作业的特点就是充分利用井筒的纵深，在井筒相邻的两个井段、井
表 2.1 煤炭部门近年来采用混合作业方式部分井筒施工速度情况统计
井筒名称
井筒深度 （m）
井筒净径 (m)
凿井速度（m/月）
最高
平均
施工时间 （年、月）
19
提高了工作效率(主要是通信、供电供水等)。井筒施工一次凿岩爆破成型，采用抓岩机 装岩，单钩提升吊桶出碴，碴石全部由井口运出，用自卸汽车运至弃碴场。喷混凝土初 期支护，液压滑动模板整体浇灌混凝土。为保持工作面空气清新，必须进行机械通风。
正井法施工的特点是，因为要进行平行作业，需要有严密的施工组织计划来指导施 工；竖井内全部碴量均弃于井口外，需要有施工便道能修建至井口的条件，供大型设备 运输的道路和弃碴所用得弃碴场，同时井口需要有供升降机、井架等布置的施工场地。 优点是：适用的竖井深度及直径范围大，地质条件不受限制。缺点是：装备复杂；占用 土地面积大；施工难度大，安全隐患多，安全管理要求高；对自然环境影响较大；修建 便道增加的工程量大；出碴效率低、施工速度慢等特点。这种方法国内采用最多，工程 实例也多，施工技术成熟，但效率相对较低，也存在一些安全隐患[32]。现行的四种施工 作业方式是掘砌混合作业方式，平行作业方式，掘、砌、安一次成井作业方式，掘砌单 行作业方式。
二是利用液压爬升机或电动爬罐，配合驱动运输车自下而上开挖导洞的爬罐法；国 外有阿立马克(Alimake)内燃液压爬升机，配合内燃驱动运输车自下而上开挖导洞的机械 开挖法。国内有能源部指定开发的电动爬罐，此产品可开挖竖井深达 350 m，可配凿岩 机具 2～3 台(气动、湿式、气腿向上式)。此种方法需引进国外设备，国内技术相对落后。 目前还没有国内公路隧道通风竖井采用此方法。
七台河新兴立风井
482.0
6.5
113.0
96.8
1987
铁法三台子一井竖井
537.05.5116.053.51987
鸡西二道河子南风井
579.5
5.0
163.1
90.5
1990.5
鸡西滴道东风井
683.5
8.0
201.0
---
1992.5
摩洛哥杰拉达Ⅲ号立井
785.0
6.8
107.6
81.3
1990
1、长段单行作业方式 60 年代，为了加快立井施工速度，一度采用加长掘、砌单行作业的施工段高，以 利于在相同井深的条件下，减少掘、砌作业的交替次数、井壁接茬数目和工序转换所消 耗的无效工时。从而提高井筒的施工速度，增强井筒永久支护的整体性和封水性。段高 的高度主要根据围岩的稳定程度、井筒涌水量的大小和临时支护以及砌壁模板的周转用 量等因素来考虑，合理安排，选择的。我国采用的长段单行作业方式时的施工段高一般 为 30～60m，个别采用喷混凝土作为临时支护的井筒，段高加大到 100m。 2、短段单行作业方式 （1）短掘、短砌单行作业 60 年代末，70 年代初，砌壁材料用混凝土代替了料石，金属模板以及随后研制成 功的金属整体活动模板取代了木模板，从而使永久井壁的施工时间有可能缩短变成了可 能。这种作业方式可适用于各种围岩条件，可以直接在井筒工作面岩碴上立模浇筑永久 井壁，从而改变了长段单行作业高空筑壁工艺，实施随掘随砌，掘、砌交替进行。掘、